فیزیک از راه دور - ذوب و تبلور. فیزیک مولکولی

7. ذوب و تبلور (§ 12-14)

1. مطالب آموزشی را مطالعه کنید
حالات مجموع ماده

ذوب و تبلور

2. خودتان را امتحان کنید. تست "حالت های تجمعی ماده"، "ذوب و انجماد"

3-به سوالات پاسخ دهید:
1. سرعت مولکول ها و شکاف های بین آنها در طی فرآیند ذوب و انجماد چگونه تغییر می کند؟ کدام فرآیند با افزایش و کدام با کاهش انرژی درونی بدن همراه است؟
2. اگر یخ در دمای صفر در آب با همان دما قرار گیرد چه اتفاقی می افتد؟
3. چه چیزی دمای آب گرم را بیشتر کاهش می دهد: یک تکه یخ یا همان مقدار آب در دمای صفر؟
4. با استفاده از جدول "نقطه ذوب"، دریابید: قلع در دمای 230 درجه سانتیگراد در چه وضعیتی قرار دارد. فولاد در دمای 1503 درجه سانتیگراد؛ نیتروژن در دمای - 215 درجه سانتیگراد؟
5- با استفاده از نمودار به سوالات پاسخ دهید:

دمای اولیه بدن چقدر است؟
- ذوب شدن بدن در چه مقطع زمانی آغاز شد؟
- فرآیندهای حرارتی با چه ماده ای اتفاق افتاد؟
- بدن 3 دقیقه پس از شروع گرمایش در چه حالتی بود؟
- چقدر طول کشید تا بدن آب شود؟
- بدن 8 دقیقه پس از شروع گرمایش در چه حالتی بود؟
6. نموداری از فرآیندهای حرارتی که در بدن اتفاق می افتد بسازید:
آب: 80°C —› - 10°C

اگر یخ را در ظرفی قرار دهید و روی یک مشعل در حال سوختن قرار دهید، ظرف گرم می شود و یخ شروع به ذوب شدن می کند. با این حال، تا زمانی که تمام یخ به مایع تبدیل نشود، دمای آب از 0 درجه سانتی گراد (32 درجه فارنهایت) بالاتر نمی رود، صرف نظر از اینکه اجاق چقدر داغ است. این به این دلیل رخ می دهد که تمام گرمای عرضه شده به یخ برای غلبه بر نیروهای فیزیکی که مولکول های آن را به یکدیگر متصل می کنند، استفاده می شود.

در یخ، مولکول های آب توسط پیوندهای بین مولکولی که بین اتم هیدروژن (با رنگ آبی نشان داده شده است) یک مولکول و اتم اکسیژن (با رنگ قرمز نشان داده شده است) مولکول دیگر تشکیل شده است. ساختار کریستالی شش ضلعی حاصل از استحکام نسبتاً بالایی برخوردار است. در دمای 0 درجه سانتی گراد، مولکول ها به قدری سریع حرکت می کنند که پیوندها ضعیف می شوند. برخی از پیوندهای بین مولکولی شکسته شده و به مولکول های آب اجازه می دهد تا یخ را ترک کنند تا مایع تشکیل شود. به این فرآیند انتقال فاز می گویند (آب از فاز جامد به فاز مایع تغییر می کند) و دمایی که در آن اتفاق می افتد نقطه ذوب نامیده می شود.

برای شکستن پیوندهایی که به آب اجازه می دهد در حالت جامد بماند، به انرژی و در مقادیر بسیار زیاد نیاز است، بنابراین تمام گرمای تولید شده توسط مشعل به شکستن این پیوندها می رود و نه افزایش دمای یخ. گرمای لازم برای تکمیل تبدیل فازی که در بالا توضیح داده شد، گرمای نهان همجوشی یا گرمای تغییر فاز نامیده می شود، زیرا این گرما باعث افزایش دما نمی شود. تنها پس از شکسته شدن آخرین پیوندها و ذوب تمام یخ ها، دمای آب شروع به افزایش می کند و به بالای 0 درجه سانتیگراد می رسد.

یخ چگونه آب می شود؟

1. در یخ، مولکول های آب به قدری آهسته حرکت می کنند که همیشه به یکدیگر متصل می مانند و یک جامد را تشکیل می دهند. هنگامی که گرما به یخ اعمال می شود (به صورت توپ های زرد در تصویر سمت راست نشان داده شده است)، مولکول های آب انرژی اضافی به دست می آورند و سریعتر حرکت می کنند، اما همچنان به صورت یخ به هم متصل می شوند.
2. اگر تامین گرما ادامه یابد، مولکول‌های آب روی سطح یخ سرعت حرکات ارتعاشی خود را افزایش می‌دهند و پیوندهای بین مولکولی را که قبلاً آنها را در جای خود نگه می‌داشتند، می‌شکنند. این مولکول ها از یخ خارج شده و فاز مایع آب را تشکیل می دهند. تامین گرمای بیشتر منجر به از بین رفتن پیوندهای بین مولکولی باقی مانده و ذوب تدریجی یخ می شود.
3. افزودن مداوم گرما در نهایت به آخرین مولکول آب منجمد انرژی کافی می دهد تا بر پیوندهای بین مولکولی که آنها را به صورت یخ در کنار هم نگه داشته است غلبه کند. تمام آب اکنون مایع شده است.

یخ، آب و دما

وقتی گرما به یخ می رسد (شکل سمت چپ)، ابتدا دمای آن افزایش می یابد. با این حال، در 0 درجه سانتی گراد (32 درجه فارنهایت)، افزایش دما متوقف می شود و یک انتقال فاز رخ می دهد: یخ شروع به ذوب شدن می کند. همانطور که منحنی آبی روی نمودار نشان می دهد، گرمای اضافی منجر به ذوب بیشتر یخ بدون افزایش دمای آب می شود. تنها پس از اینکه تمام یخ به حالت مایع تبدیل شد (شکل بالای متن) تامین گرمای اضافی منجر به افزایش دمای آب می شود.

انتقال یک ماده از حالت کریستالی جامد به مایع را می گویند ذوب شدن. برای ذوب یک جسم کریستالی جامد، باید آن را تا دمای معینی گرم کرد، یعنی گرما باید تامین شود.دمایی که یک ماده در آن ذوب می شود نامیده می شودنقطه ذوب ماده

فرآیند معکوس - انتقال از حالت مایع به حالت جامد - زمانی اتفاق می‌افتد که دما کاهش می‌یابد، یعنی گرما حذف می‌شود. انتقال یک ماده از حالت مایع به جامد نامیده می شودسخت شدن , یا کریستاللیزاسیون . دمایی که یک ماده در آن متبلور می شود نامیده می شوددمای کریستالیون ها .

تجربه نشان می دهد که هر ماده ای در همان دما متبلور و ذوب می شود.

شکل نموداری از دمای یک جسم کریستالی (یخ) در مقابل زمان گرم شدن (از نقطه) را نشان می دهد. آبه نقطه د)و زمان خنک شدن (از نقطه Dبه نقطه ک). زمان را در امتداد محور افقی و دما را در امتداد محور عمودی نشان می دهد.

نمودار نشان می دهد که مشاهده فرآیند از لحظه ای شروع شد که دمای یخ -40 درجه سانتیگراد بود، یا، همانطور که می گویند، درجه حرارت در لحظه اولیه زمان. تیشروع= -40 درجه سانتیگراد (نقطه آروی نمودار). با گرم شدن بیشتر، دمای یخ افزایش می یابد (در نمودار این بخش است AB). دما به 0 درجه سانتیگراد افزایش می یابد - دمای ذوب یخ. در دمای 0 درجه سانتیگراد، یخ شروع به ذوب شدن می کند و دمای آن افزایش نمی یابد. در طول کل زمان ذوب (یعنی تا زمانی که تمام یخ ذوب شود)، دمای یخ تغییر نمی کند، اگرچه مشعل به سوختن ادامه می دهد و بنابراین گرما تامین می شود. فرآیند ذوب مربوط به بخش افقی نمودار است آفتاب . تنها پس از ذوب شدن تمام یخ و تبدیل شدن به آب، دما دوباره شروع به افزایش می کند (بخش سی دی). پس از اینکه دمای آب به +40 درجه سانتیگراد رسید، مشعل خاموش می شود و آب شروع به خنک شدن می کند، یعنی گرما حذف می شود (برای این کار می توانید یک ظرف آب را در ظرف بزرگتر دیگری با یخ قرار دهید). دمای آب شروع به کاهش می کند (بخش DE). هنگامی که دما به 0 درجه سانتیگراد می رسد، با وجود اینکه گرما هنوز حذف می شود، دمای آب کاهش می یابد. این فرآیند تبلور آب است - تشکیل یخ (بخش افقی E.F.). تا زمانی که تمام آب به یخ تبدیل نشود، دما تغییر نخواهد کرد. تنها پس از این، دمای یخ شروع به کاهش می کند (بخش FK).

شکل ظاهری نمودار در نظر گرفته شده به صورت زیر توضیح داده شده است. مکان روشن است ABبه دلیل گرمای عرضه شده، میانگین انرژی جنبشی مولکول های یخ افزایش می یابد و دمای آن افزایش می یابد. مکان روشن است آفتابتمام انرژی دریافتی توسط محتویات فلاسک صرف تخریب شبکه کریستال یخ می شود: آرایش فضایی منظم مولکول های آن با یک بی نظم جایگزین می شود، فاصله بین مولکول ها تغییر می کند، یعنی. مولکول ها به گونه ای بازآرایی می شوند که ماده تبدیل به مایع می شود. میانگین انرژی جنبشی مولکول ها تغییر نمی کند، بنابراین دما بدون تغییر باقی می ماند. افزایش بیشتر دمای آب یخ مذاب (در منطقه سی دی) به معنای افزایش انرژی جنبشی مولکول های آب در اثر گرمای تامین شده توسط مشعل است.

هنگام خنک کردن آب (بخش DE) بخشی از انرژی از آن گرفته می شود، مولکول های آب با سرعت کمتری حرکت می کنند، میانگین انرژی جنبشی آنها کاهش می یابد - دما کاهش می یابد، آب سرد می شود. در دمای 0 درجه سانتیگراد (بخش افقی E.F.) مولکول ها شروع به ردیف شدن به ترتیب خاصی می کنند و یک شبکه کریستالی تشکیل می دهند. تا زمانی که این فرآیند کامل نشود، دمای ماده با وجود حذف گرما تغییر نمی کند، به این معنی که هنگام انجماد، مایع (آب) انرژی آزاد می کند. این دقیقاً همان انرژی است که یخ جذب کرده و به مایع تبدیل می شود (بخش آفتاب). انرژی درونی یک مایع بیشتر از انرژی جامد است. در طول ذوب (و تبلور)، انرژی درونی بدن به طور ناگهانی تغییر می کند.

فلزاتی که در دمای بالاتر از 1650 درجه سانتیگراد ذوب می شوند نامیده می شوند نسوز(تیتانیوم، کروم، مولیبدن و غیره). تنگستن بالاترین نقطه ذوب را در بین آنها دارد - حدود 3400 درجه سانتیگراد. فلزات نسوز و ترکیبات آنها به عنوان مواد مقاوم در برابر حرارت در ساخت هواپیما، موشک و فناوری فضایی و انرژی هسته ای استفاده می شود.

اجازه دهید یک بار دیگر تأکید کنیم که در هنگام ذوب، یک ماده انرژی جذب می کند. در هنگام تبلور، برعکس، آن را در محیط آزاد می کند. با دریافت مقدار معینی از گرمای آزاد شده در طی کریستالیزاسیون، محیط گرم می شود. این برای بسیاری از پرندگان به خوبی شناخته شده است. جای تعجب نیست که آنها را می توان در زمستان در هوای یخبندان دید که روی یخی که رودخانه ها و دریاچه ها را پوشانده است نشسته اند. به دلیل آزاد شدن انرژی هنگام تشکیل یخ، هوای بالای آن چندین درجه گرمتر از درختان جنگل است و پرندگان از این موضوع استفاده می کنند.

ذوب مواد آمورف.

در دسترس بودن یک معین نقاط ذوب- این ویژگی مهم مواد کریستالی است. با این ویژگی است که می توان آنها را به راحتی از اجسام بی شکل که به عنوان جامدات نیز طبقه بندی می شوند، تشخیص داد. اینها به ویژه شیشه، رزین های بسیار چسبناک و پلاستیک هستند.

مواد آمورف(برخلاف کریستالی ها) نقطه ذوب خاصی ندارند - ذوب نمی شوند، اما نرم می شوند. به عنوان مثال، وقتی یک تکه شیشه گرم می شود، ابتدا از سخت نرم می شود، به راحتی می توان آن را خم کرد یا کشید. در دمای بالاتر، قطعه تحت تأثیر گرانش خود شروع به تغییر شکل می کند. با گرم شدن، توده چسبناک ضخیم شکل ظرفی را می گیرد که در آن قرار دارد. این توده ابتدا مانند عسل غلیظ است، سپس مانند خامه ترش و در نهایت تقریباً به همان مایع کم ویسکوزیته آب تبدیل می شود. با این حال، نشان دادن دمای مشخصی از انتقال یک جامد به مایع در اینجا غیرممکن است، زیرا وجود ندارد.

دلایل این امر در تفاوت اساسی ساختار اجسام آمورف با ساختار اجسام کریستالی نهفته است. اتم ها در اجسام آمورف به طور تصادفی مرتب شده اند. اجسام آمورف در ساختار خود شبیه مایعات هستند. در حال حاضر در شیشه جامد، اتم ها به طور تصادفی مرتب شده اند. این بدان معنی است که افزایش دمای شیشه تنها باعث افزایش دامنه ارتعاشات مولکول های آن می شود و به تدریج آزادی حرکت بیشتر و بیشتری به آنها می دهد. بنابراین، شیشه به تدریج نرم می شود و انتقال شدید "جامد به مایع" را نشان نمی دهد، که مشخصه انتقال از آرایش مولکول ها به ترتیب دقیق به یک نظم نامنظم است.

گرمای همجوشی.

گرمای ذوب- این مقدار گرمایی است که باید به یک ماده در فشار ثابت و دمای ثابت برابر با نقطه ذوب داده شود تا به طور کامل آن را از حالت کریستالی جامد به مایع تبدیل کند. گرمای همجوشی برابر با مقدار گرمایی است که در طی تبلور یک ماده از حالت مایع آزاد می شود. در طول ذوب، تمام گرمای عرضه شده به یک ماده به سمت افزایش انرژی پتانسیل مولکول های آن می رود. انرژی جنبشی تغییر نمی کند زیرا ذوب در دمای ثابت رخ می دهد.

با مطالعه تجربی ذوب مواد مختلف با جرم یکسان، می توان متوجه شد که مقادیر متفاوتی گرما برای تبدیل آنها به مایع مورد نیاز است. به عنوان مثال، برای ذوب یک کیلوگرم یخ، باید 332 ژول انرژی مصرف کنید و برای ذوب 1 کیلوگرم سرب - 25 کیلوژول.

مقدار گرمای آزاد شده توسط بدن منفی در نظر گرفته می شود. بنابراین، هنگام محاسبه مقدار گرمای آزاد شده در طی تبلور یک ماده با جرم متر، باید از همان فرمول استفاده کنید، اما با علامت منفی:

گرمای احتراق.

گرمای احتراق(یا ارزش حرارتی, محتوای کالری) مقدار گرمای آزاد شده در طی احتراق کامل سوخت است.

برای گرم کردن اجسام اغلب از انرژی آزاد شده در طی احتراق سوخت استفاده می شود. سوخت معمولی (زغال سنگ، نفت، بنزین) حاوی کربن است. در طی احتراق، اتم‌های کربن با اتم‌های اکسیژن موجود در هوا ترکیب می‌شوند و در نتیجه مولکول‌های دی اکسید کربن تشکیل می‌شوند. انرژی جنبشی این مولکول ها بیشتر از ذرات اصلی است. افزایش انرژی جنبشی مولکول ها در حین احتراق را آزاد شدن انرژی می گویند. انرژی آزاد شده در حین احتراق کامل سوخت، گرمای احتراق این سوخت است.

گرمای احتراق سوخت به نوع سوخت و جرم آن بستگی دارد. هر چه جرم سوخت بیشتر باشد میزان گرمای آزاد شده در طی احتراق کامل آن بیشتر می شود.

کمیت فیزیکی که نشان می دهد چه مقدار گرما در طی احتراق کامل سوخت با وزن 1 کیلوگرم آزاد می شود، نامیده می شود. گرمای ویژه احتراق سوختگرمای ویژه احتراق با حرف مشخص می شودqو بر حسب ژول بر کیلوگرم (J/kg) اندازه گیری می شود.

مقدار گرما سدر هنگام احتراق آزاد می شود مترکیلوگرم سوخت با فرمول تعیین می شود:

برای یافتن مقدار گرمای آزاد شده در حین احتراق کامل یک سوخت با جرم دلخواه، گرمای ویژه احتراق این سوخت باید در جرم آن ضرب شود.

کار مستقل در فیزیک حالات تجمعی ماده ذوب و انجماد اجسام کریستالی برای دانش آموزان کلاس هشتم. کار مستقل شامل 2 گزینه است که هر کدام دارای 5 کار است.

1 گزینه

1. سرعت مولکول ها و فضاهای بین آنها در طی فرآیند ذوب و انجماد چگونه تغییر می کند؟ کدام فرآیند با افزایش و کدام با کاهش انرژی درونی همراه است؟

2. اگر یخ در دمای صفر در آب با همان دما قرار گیرد چه اتفاقی می افتد؟

3. چه چیزی دمای آب گرم را بیشتر کاهش می دهد: یک تکه یخ یا همان مقدار آب در دمای صفر؟

4. در پاییز آب در لوله ها مانده بود و در بهار معلوم شد که لوله ها ترکیده است. چرا؟

5. گاهی اوقات تراشه ها و ستاره ها روی شیشه جلو اتومبیل ظاهر می شوند. دلیل این امر برخورد سنگ از خودروهای جلویی است. چرا این عیوب شیشه باید قبل از اولین یخ زدگی برطرف شود؟

گزینه 2

1. قلع از یک حالت تجمع به حالت دیگر منتقل می شود. اگر معلوم شود انرژی درونی آن افزایش یافته جامد یا ذوب شده است؟

2. در چه صورت آب تا دمای بالاتر گرم می شود: اگر قلع مایع در دمای انجماد در آن ریخته شود یا قلع جامد در دمای ذوب در آن پرتاب شود؟

3. چرا یک ظرف بزرگ با آب قرار داده شده در انبار سبزیجات را از اولین یخبندان نجات می دهد؟

4. گاهی اوقات بطری های آب مانده در فریزر ترک می خورند. چرا؟

5. یخ ها کجا و چه زمانی تشکیل می شوند؟

پاسخ به کار مستقل در فیزیک حالات تجمعی ماده ذوب و انجماد اجسام کریستالی
1 گزینه
1. هنگام ذوب، سرعت مولکول ها هنگام انجماد افزایش می یابد، برعکس، کاهش می یابد. هنگام ذوب، انرژی داخلی در هنگام انجماد افزایش می یابد.
2. یخ قطعا در آب شناور می شود، زیرا چگالی یخ کمتر از چگالی آب است، اما یخ قطعا ذوب نمی شود، زیرا برای ذوب شدن از آب گرما دریافت نمی کند، زیرا تبادل حرارت در همان دما غیرممکن است.
3. یک تکه یخ، زیرا علاوه بر حرارت دادن مقداری گرما صرف آب شدن یخ می شود.
4. وقتی آب یخ می زند، منبسط می شود.
5. چون آب وارد این تراشه ها می شود و در هنگام انجماد حجم یخ از حجم آب بیشتر می شود و یخ همچنان به تخریب شیشه ادامه می دهد و باعث افزایش اندازه تراشه و ترک می شود.
گزینه 2
1. ذوب شد زیرا انرژی درونی را افزایش داد. و سخت شدن با این واقعیت مشخص می شود که این انرژی را آزاد می کند.
2. اگر قلع مایع را در دمای انجماد بریزید.
3. اگر ناگهانی سرما خوردگی شود، آب یخ می زند. وقتی آب یخ می زند مقداری گرما آزاد می شود.
4. هنگام انجماد، حجم آب افزایش می یابد.
5. یخ ها زمانی تشکیل می شوند که آب از مکانی که دمای آن بالاتر از نقطه صفر است به آرامی به سمت جایی که دما زیر صفر است جریان یابد. به عنوان مثال: خورشید سقف را گرم می کند و برف روی آن آب می شود.